Материаловедение и термическая обработка металлов

№654

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВОПООБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà ìåòàëëîâåäåíèÿ è ôèçèêè ïðî÷íîñòè

Â.Þ. Òóðèëèíà
Ñ.Â. Äîáàòêèí

Ìàòåðèàëîâåäåíèå
è òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà
ìåòàëëîâ

Ïðàêòèêóì

Ïîä ðåäàêöèåé ïðîôåññîðà Ñ.À. Íèêóëèíà

Äîïóùåíî ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îáúåäèíåíèåì
ïî îáðàçîâàíèþ â îáëàñòè ìåòàëëóðãèè â êà÷åñòâå
ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ
çàâåäåíèé, îáó÷àþùèõñÿ ïî ñïåöèàëüíîñòÿì
Ìåòàëëóðãèÿ ÷åðíûõ ìåòàëëîâ, Ëèòåéíîå ïðîèçâîäñòâî
÷åðíûõ è öâåòíûõ ìåòàëëîâ, Îáðàáîòêà ìåòàëëîâ
äàâëåíèåì, Ïðèêëàäíàÿ èíôîðìàòèêà (â ìàòåðèàëîâåäåíèè)

Ìîñêâà  Èçäàòåëüñòâî «Ó×ÅÁÀ»
2005

УДК 621.78 
 
Т86 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Ю.Д. Ягодкин 

Турилина В.Ю., Добаткин С.В. 
Т86  
Материаловедение и термическая обработка металлов: 
Практикум/ Под ред. С.А. Никулина. – М.: МИСиС, 2005. – 77 с. 

Рассмотрены темы практических занятий по курсам «Материаловедение», «Материаловедение и термическая обработка» и «Термическая обработка металлов и сплавов». 
Пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к 
практическим занятиям и решению задач по указанным курсам. 
В каждом разделе пособия даются краткое теоретическое введение и разбор типовых задач, а также примеры задач для подготовки к контрольным 
работам. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям: «Металлургия черных металлов», «Литейное производство черных и цветных металлов», «Обработка металлов давлением» и «Прикладная информатика». 
 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический  
университет) (МИСиС), 2005 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Механические испытания и свойства металлов ................................4 
1.1. Основные виды механических испытаний..................................4 
1.1.1. Испытания на растяжение......................................................4 
1.1.2. Испытания на сжатие ...........................................................10 
1.1.3. Испытания на твердость ......................................................12 
1.1.4. Испытания на усталость.......................................................17 
1.2. Испытания на разрушение и определение 
характеристик сопротивляемости разрушению...............................19 
1.2.1. Испытания на ударную вязкость.........................................19 
1.2.2. Испытания на вязкость разрушения 
(статическую трещиностойкость) .................................................22 
2. Термическая обработка......................................................................25 
2.1. Фазовые превращения в твердом состоянии. 
Изотермические и термодинамические 
диаграммы превращений ...................................................................25 
2.1.1. Диаграмма фазового состояния системы Fe – Fe3C ..........25 
2.1.2. Превращения в стали при нагреве и охлаждении..............27 
2.1.3. Диаграмма изотермических превращений аустенита .......31 
2.1.4. Превращения аустенита 
при непрерывном охлаждении ......................................................34 
2.2. Виды отжига I и II рода...............................................................37 
2.2.1. Основы термической обработки. 
Общие положения и определения.................................................37 
2.2.2. Отжиг I рода..........................................................................39 
2.2.3. Отжиг II рода.........................................................................44 
2.3. Закалка с полиморфным превращением и отпуск стали..........50 
2.3.1. Закалка...................................................................................50 
2.3.2. Отпуск стали .........................................................................59 
2.4. Способы поверхностного упрочнения стальных изделий.......64 
2.4.1. Химико-термическая обработка. 
Общие закономерности..................................................................64 
2.4.2. Поверхностная закалка стали ..............................................72 
Библиографический список...................................................................76 
 

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ И СВОЙСТВА 
МЕТАЛЛОВ 

1.1. Основные виды механических испытаний 

1.1.1. Испытания на растяжение 

Одноосное растяжение – наиболее распространенный вид статических испытаний для определения механических свойств металлов 
и сплавов. Методы испытания на растяжение, испытательные машины и образцы стандартизованы. Для испытаний используют образцы 
с рабочей частью в форме цилиндра или стержня с прямоугольным 
сечением. Все требования по форме, размерам и качеству поверхности образцов базируются на общих правилах, обеспечивающих подобие механических испытаний. 
При растяжении определяют три группы механических свойств: 
характеристики прочности, пластичности и вязкости. 
Прочностные свойства характеризуют сопротивление материала 
образца деформации и разрушению. 
Пластические свойства характеризуют способность материала к 
пластическому деформированию до разрыва. 
Вязкость характеризует энергоемкость или работу, затрачиваемую на процесс деформации и разрушения. 
Механические свойства определяют по первичным (машинным) 
кривым растяжения в координатах нагрузка (P, Н) – абсолютное удлинение (Δl, мм) (рис. 1.1), которые автоматически записываются на 
диаграммной ленте испытательной машины. Условное напряжение 
(σi) рассчитывают, используя ординаты характерных точек диаграммы по следующей формуле: 
σi = Pi / F0, 
где F0 – начальная площадь поперечного сечения рабочей части 
образца. 
На диаграммах различают стадию упругой деформации (прямолинейный участок), плавно переходящую в стадию пластической деформации (деформации, остающейся после снятия нагрузки). До 
точки Pmax образец деформируется равномерно. После Pmax деформация локализуется, происходит местное сужение поперечного сечения 
образца – образуется шейка, которая развивается вплоть до разрушения при нагрузке в точке Pк. Одновременно снижается действующее 
на образец усилие. 

Рис. 1.1. Первичная кривая P – Δl при растяжении 

При переходе в область пластической деформации изменения сечения образца становятся уже значительными и отнесение нагрузки к 
исходному (до деформации) сечению дает лишь условные напряжения. Если учитывать изменение сечения при деформации и относить 
нагрузку не к исходному сечению, а к сечению в каждый данный 
момент деформации, то получают истинные напряжения Si = Pi / Fi. 
Разница между истинными и условными напряжениями тем больше, 
чем пластичнее материал (чем сильнее меняется сечение в ходе деформации относительно исходного). Соответственно меняется вид 
диаграммы деформации в истинных координатах (схематично на 
рис. 1.2). В случае хрупких материалов (чугун, литые алюминиевые 
сплавы и т.п.) различие между истинными и условными напряжениями может быть небольшим. 

 

Рис. 1.2. Схематическое изображение диаграммы растяжения в 
условных (сплошная линия) и истинных (пунктирная линия) 
координатах 

Различают условные и истинные деформации. Отношение изменения длины к начальной длине определяет условное удлинение 
δ = (lк – l0) / l0 · 100 %, 
где l0 и lк – начальная и конечная длина образца. Отношение в каждый данный момент изменения длины к длине в этот момент дает 
истинное удлинение: 

 
(
)
⎟⎟
⎠

⎞
⎜⎜
⎝

⎛
ψ
−
=
=
+
ε
=
=
= ∫
1
1
ln
ln
1
ln
ln

к

0

0

к
к

0
F
F
l
l
l
dl
e

l

l
, 

где Fк и F0 – конечное и начальное сечение образца; ψ - относительное сужение поперечного сечения. 
Переход от lк / l0 к F0 / Fк основан на известном положении о постоянстве объема при деформировании: V0 = F0l0; Vк = Fкlк; V0 = Vк; 
lk / l0 = F0 / Fk. Поскольку ψ = (F0 – Fк) / F0 = 1 – Fк / F0, следовательно, F0 / Fк = 1 / (1 – ψ). 

Задачи 

1.1. Какая диаграмма диформации (рис. 1.3) соответствует образцу: а) из более пластичного материала; б) из более вязкого материала; в) из более прочного материала; г) из более упругого материала. 
Какие характеристики при этом необходимо сравнивать? 

 

Рис. 1.3 

Решение 
а) У более пластичного материала пластическая деформация достигает больших величин ε. Материал 2 более пластичный, так как 
ε (2) > ε (1). 

б) Более вязкий тот материал, на растяжение до разрушения которого затрачена бóльшая работа (А). Работа, затрачиваемая на пластическую деформацию и разрушение, определяется площадью под соответствующей кривой (диаграммой деформации). А2 > А1, следовательно, материал 2 более вязкий. 
в) Предел прочности (σв) – это напряжение, характеризующее сопротивление максимальной равномерной деформации (σв = Pmax / F0). 
Материал 1 более прочный, так как σв
1 > σв
2. 
г) Характеристикой упругости материала является модуль упругости – коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение 
и упругую деформацию. Тангенс угла наклона почти прямолинейного участка кривой характеризует интенсивность прироста напряжения, необходимого для упругого смещения атомов из положений 
равновесия. Следовательно, чем больше угол наклона прямолинейного участка, тем материал более упругий. В данном случае более 
упругий материал 1. 
Так же по диаграмме деформации можно определить значения 
предела упругости σу – условного напряжения, соответствующего 
появлению остаточных деформаций определенной заданной величины (0,001; 0,003; 0,005 до 0,05 %). Допуск на остаточную деформацию указывается в индексе при σу (σ0,001; σ0,003; σ0,005). 
Предел пропорциональности σпц – условное напряжение, соответствующее отклонениям от линейного хода кривой деформации (от 
закона Гука), задаваемым определенным допуском (например, увеличением тангенса угла наклона кривой деформации к оси напряжения на 25 или 50 % при переходе от прямолинейного участка к криволинейному). 
Следует отметить, что для реальных поликристаллических металлов определение σу и σпц связано со значительными методическими 
трудностями, так как предусматривает измерение очень малых деформаций. 

1.2. Какие характеристики соответствуют меньшей пластической 
деформации образца при испытании на растяжение: σ0,2, σ0,05, σв, σт? 
Решение 
Условный предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,05 %, иногда 
меньше – до 0,005 %. Использованный при расчете допуск указывается в обозначении условного предела упругости: σ0,05, σ0,01 и т.д. 

При отсутствии на диаграмме растяжения зуба и площадки текучести рассчитывают условный предел текучести – напряжение, при 
котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,2 % – σ0,2. 
Физический предел текучести σт – напряжение, при котором образец деформируется под действием практически неизменной растягивающей нагрузки Рт (площадка текучести). 
Условный предел прочности σв – напряжение, рассчитываемое по 
максимальной нагрузке Pmax на первичной (машинной) диаграмме 
растяжения. σв – это условное напряжение, характеризующее сопротивление максимальной равномерной деформации. 
Таким образом, при испытании на растяжение с ростом пластической деформации напряжения увеличиваются в следующем порядке: 
σ0,05, σ0,2 (σт), σв. 
Ответ: меньшей пластической деформации соответствует напряжение σ0,05. 

1.3. Какое относительное удлинение меньше при испытании образца на растяжение: полное, сосредоточенное, равномерное (см. 
рис. 1.1)? 
Решение 
Увеличение длины образца в результате деформации обычно характеризуют относительным удлинением: δ = (lк – l0) / l0…100 %. 
До определенного момента рабочая часть образца при растяжении 
сохраняет свою форму (см. рис. 1.1). Удлинение равномерно распределяется по расчетной длине – идет равномерное удлинение. В точке, 
соответствующей значению σв на диаграмме деформации, эта равномерность деформации нарушается. В какой-то части образца, либо 
менее упрочненной по сравнению с другими, либо из-за концентратора напряжения (например, трещины), который уже был в исходном 
состоянии или образовался при растяжении, начинается локализация 
деформации. Ей соответствует местное сужение поперечного сечения образца – образование шейки. Дальше шейка развивается вплоть 
до разрушения, т.е. идет сосредоточенная деформация. 
Таким образом, полное удлинение δполн = δравн + δсоср. 
При использовании стандартных образцов с пяти- и десятикратным отношением l0 / d0 вклад сосредоточенной деформации в общее 
относительное удлинение для большинства металлов и сплавов срав

нительно невелик. Для них величина δ характеризует в основном 
способность к равномерной деформации. 
Ответ: сосредоточенное относительное удлинение меньше равномерного и полного. 

1.4. Условная равномерная деформация образца εравн = 5 %. Определить истинную деформацию этого образца. 
Решение 
Условная деформация равномерно удлиненного образца 
ε = (lк – l0) / l0 × 100 %, 
ε = lк / l0 – 1 = 0,05, 
lк / l0 = 1,05, 
истинная деформация равномерно удлиненного образца e = ln(lк / l0), 
 
e = ln 1,05 = 0,049. 
Ответ: Истинная деформация образца составила 4,9 %. 

1.5. При испытании на растяжение цилиндрический образец диаметром 5 мм и рабочей длиной 25 мм разрушился с образованием 
шейки, удлинившись на 7 мм. Диаметр образца вне шейки после разрушения составил 4,5 мм. Максимальная нагрузка при испытании 
образца составила 400 кгс. Определить предел прочности и сосредоточенное относительное удлинение. 
Решение 
– Полное относительное удлинение образца 
δполн = (lк – l0) / l0 × 100 %, 
δполн = 28 %. 
Равномерное относительное удлинение образца (до образования 
шейки) 
1 / (δравн + 1) = 1 – ψравн, 
δравн = (1 / (1 – ψравн)) – 1. 
Равномерное относительное сужение ψравн = (F0 – Fк) / F0 × 100 %, 
где F0 и Fк – соответственно начальная и конечная площадь поперечного сечения образца, F = πd2 / 4, 
ψравн = 18,8 %, 
 
δравн = 23,5 %. 
Сосредоточенное относительное удлинение 
δсоср = δполн – δравн, 
 
δсоср = 4,5 %. 
– Предел прочности 
σв = Pв / F0, 
 
σв = 204 МПа. 
Ответ: δсоср = 4,5 %; σв = 204 МПа. 

1.1.2. Испытания на сжатие 

Сжатие цилиндрических образцов – один из наиболее мягких видов испытаний. Коэффициент мягкости α = tmax / Sn
max (tmax – максимальное касательное напряжение, Sn
max – наибольшее приведенное 
главное нормальное напряжение): при одноосном сжатии α = 2, а при 
одноосном растяжении α = 0,5. Испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. На практике по испытаниям на сжатие оценивают свойства чугуна и других хрупких 
сплавов. Для повышения точности испытаний рекомендуется использовать круглые образцы длиной, равной восьми диаметрам (h0 = 
8d0). 
В результате пластической деформации при сжатии образец укорачивается и уширяется. Следовательно, вместо измерявшихся при 
растяжении δ и ψ в качестве характеристик пластичности при сжатии 
можно определять относительное укорочение 
δсж = (h0 – hк) / h0 × 100 % 
и относительное уширение 
ψсж = (Fк – F0) / F0 × 100 %, 
где h0 и hк – начальная и конечная высота образца; F0 и Fк – начальная и конечная площади поперечного сечения. 
Истинные напряжения при сжатии меньше условных (при растяжении было наоборот) (рис. 1.4). 

 

Рис. 1.4. Схематическое изображение диаграммы 
истинных (1) и условных (2) напряжений при сжатии 

Истинное напряжение сжатия связано с условным напряжением: 
S = σ / (1 + ψсж). 

Пределы упругости, пропорциональности и текучести при сжатии 
хорошо совпадают с этими же характеристиками, получаемыми при 
растяжении. Это объясняется тем, что при малых деформациях еще 
не проявляется трение по опорным поверхностям образца. Но после 
перехода к существенной пластической деформации (при напряжениях выше предела текучести) фиксируемые характеристики прочностных свойств уже резко отличаются от определяемых при растяжении. 
Полностью устранить контактные силы трения и обеспечить в течение всего испытания линейное напряженное состояние в образце 
не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие. 
При испытании на сжатие машина фиксирует первичную диаграмму сжатия – зависимость усилия P от уменьшения высоты образца Δh.  
В отличие от испытаний на растяжение, при сжатии удается разрушить далеко не любой материал. Достаточно пластичные металлы 
и сплавы при сжатии расплющиваются в тонкие пластины и не разрушаются при максимально возможных усилиях испытательной машины. Понятно, что условный предел прочности материалов, не разрушающихся при сжатии, определить нельзя. 
Характер разрушения сжимаемых образцов зависит от величины 
контактных сил трения. Если они велики, то обычно наблюдается 
разрушение путем среза (рис. 1.5, а); если же они незначительны, то 
фиксируется разрушение отрывом (рис. 1.5, б). 

 
 
а 
б 

Рис. 1.5. Схемы разрушения путем среза (а) и отрыва (б) 
при испытаниях на сжатие